电子离域调控热离子迁移实现高性能高温氧化物陶瓷微波吸收材料

《Nature Communications》：High-temperature oxide ceramic microwave absorber enabled by thermionic migration mediated by electron delocalization

　　本刊推荐：为解决高速航空航天隐身技术中耐高温抗氧化微波吸收材料（HTMAMs）的性能瓶颈，研究人员开展了稀土锆酸盐陶瓷的电子离域调控热离子迁移研究。通过构建Er2Zr2O7/Gd2Zr2O7双层结构，在600℃下实现了8.27GHz超宽有效吸收带宽（EAB）和-64.61dB最小反射损耗（RLmin），同时具备1.61W·m-1·K-1的超低热导率。该工作为极端环境下结构-功能一体化材料设计提供了新范式。

　　

随着航空航天飞行器速度的不断提升，其发动机等关键部件长期面临1600℃以上的强氧化环境和雷达探测双重挑战。传统磁性损耗型微波吸收材料在高温下会出现磁损耗退化，而碳基介电损耗材料在400℃以上易氧化失效。虽然陶瓷基材料具有更好的耐高温性能，但现有氧化物陶瓷仍存在介电损耗能力有限、阻抗匹配不佳等瓶颈，导致高温下有效吸收带宽窄（EAB<4GHz）、反射损耗不足（RL_min>-40dB）且厚度较大（d≥1.5mm）。

针对这一难题，清华大学万春磊团队在《Nature Communications》发表最新研究，提出通过电子离域调控热离子迁移的策略，设计出具有超宽吸收带宽和超强吸收能力的双层稀土锆酸盐陶瓷微波吸收材料。该材料在1600℃空气中保持稳定，在600℃高温下展现出突破性的微波吸收性能：当Er₂Zr₂O₇/Gd₂Zr₂O₇双层结构总厚度为1.132mm时，有效吸收带宽达到8.27GHz，最小反射损耗低至-64.61dB，同时具备优异的隔热性能（热导率1.61W·m^-1·K^-1）。

研究人员采用球磨-烧结工艺制备致密陶瓷块体，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等技术确认材料的晶体结构和微观形貌。利用矢量网络分析仪（VNA）测试X-Ku波段的复介电常数，采用激光闪光法测量热扩散系数，并结合第一性原理计算分析电子结构特征。通过CST Studio Suite软件模拟电磁场分布，系统研究微波吸收机制。

材料组成与微观结构表征

XRD分析显示所有样品的衍射峰均与标准卡片吻合，成功制备出无序萤石相Er₂Zr₂O₇和有序烧绿石相Gd₂Zr₂O₇。SEM和TEM表征证实材料具有微米级晶粒和高致密度（相对密度>99%），选区电子衍射（SAED）中Gd₂Zr₂O₇的超晶格衍射斑点直观证明了其有序结构。元素分布 mapping 显示各元素均匀分布，无杂质相存在。

温度依赖性介电性能

随温度升高，两种锆酸盐的介电常数实部（ε′）和虚部（ε″）均显著增强。在600℃时，Gd₂Zr₂O₇因离子电导率占主导而表现出更强的介电损耗，而Er₂Zr₂O₇则以热离子弛豫极化为主。Arrhenius关系分析表明，Gd₂Zr₂O₇的表观活化能（9.635）低于Er₂Zr₂O₇（14.74），这与其更窄的电子离域范围相关。

介电损耗机制与微波吸收性能

电荷密度计算显示，Er₂Zr₂O₇中相邻原子间更宽的电子离域导致氧原子迁移能垒更高。高温下丰富的氧空位（占阴离子位点的1/8）为热离子迁移提供了通道，显著提升了介电性能。单层材料在600℃时最佳厚度为1-1.2mm，Er_{22O7和Gd2Zr2O7的最大EAB分别为5.32GHz和6.84GHz。}

双层结构的微波吸收性能优化

通过构建Er₂Zr₂O₇（0.4mm）/Gd₂Zr₂O₇（0.732mm）双层结构，在600℃下实现了8.27GHz的EAB和-64.61dB的RL_min。电磁场模拟表明，宏观界面共振是宽带吸收的关键机制：上层Er₂Zr₂O₇作为匹配层引导微波进入下层Gd₂Zr₂O₇损耗层，在界面处形成强能量耗散。X波段主要通过整体四分之一波长干涉相消增强阻抗匹配，而Ku波段则依赖分层干涉相消效应。

热性能与微波隐身能力

氧空位对声子的强散射作用使双层结构在600℃时热导率仅为1.61W·m^-1·K^-1。雷达散射截面（RCS）分析显示，该结构在±60°入射角范围内均低于-20dBm²（相当于小鸟的RCS水平），在10.405GHz监测频率下即使60°大角度入射仍保持-10dB以下反射损耗，证明其优异的实战隐身能力。

该研究通过电子离域精确调控热离子迁移，成功实现了稀土锆酸盐陶瓷介电性能的高温增强。双层设计巧妙利用有序/无序结构差异引发宏观界面共振，在超薄厚度下同时突破吸收强度与带宽限制。材料在1600℃下的长期抗氧化性和超低热导率，使其成为极端环境下载荷-热管理一体化设计的理想选择。这项研究不仅为高温微波吸收材料提供了新设计范式，也为其他离子导体材料的功能化应用开辟了新途径。